Tutkimuksia aurinko- ja tuulivoiman lisäämisestä sähkömarkkinoille
Juha Teirilä
lämmityksen, liikenteen ja erilaisten teolli- suusprosessien sähköistämisen avulla Suomen päästöjä voitaisiin leikata 95 % vuoteen 2050 mennessä (Lund ym. 2021). Tämä sähköistä- miskehitys lisää sähkön kulutusta tuntuvasti.
Onkin selvää, että tehokkaasti ja luotettavasti toimiva sähkömarkkina on keskeinen tekijä il- mastomuutoksen torjunnassa. Jotta vihreä siir- tymä voidaan toteuttaa mahdollisimman halli- tusti tässä nopeasti muuttuvassa ympäristössä, energiapoliittiset toimenpiteet ja markkiname- kanismien suunnittelu on tehtävä erityisen huo- lellisesti, niissä on otettava huomioon useiden markkinoiden yhteisvaikutus, ja asioita on tar- kasteltava sekä lyhyellä että pitkällä aikavälillä.
Sähkömarkkinoilta on saatavilla poikkeuk- sellisen runsaasti erilaista dataa. Tämä mahdol- listaa sen, että voidaan rakentaa hyvinkin yk- sityiskohtaisia markkinamalleja, joilla voidaan testata erilaisten energiapoliittisten toimenpi- teiden vaikutusta. Väitöskirjassani tarkastellaan kolmea erityistä ongelmaa, jotka liittyvät aurin- ko- ja tuulivoiman lisääntymiseen sähkömark- kinoilla. Kaikissa näissä tarkastelu perustuu
KTT, DI Juha Teirilä (juha.teirila@energiavirasto.fi) on ekonomisti Energiavirastossa. Kirjoitus perustuu hänen Oulun yliopistossa 18.6.2021 tarkastettuun väitöskirjaansa Studies on Integrating Solar and Wind Power into Electricity Markets.
Vastaväittäjänä toimi professori Otto Toivanen Aalto-yliopiston kauppakorkeakoulusta ja kustoksena professori (emeritus) Rauli Svento Oulun yliopiston kauppakorkeakoulusta.
P
ariisin ilmastosopimuksen tavoitteiden saa- vuttaminen ei ole enää aivan yksinkertaista. Il- mastotoimia on toteutettu odotettua hitaammin ja YK:n ympäristöohjelman juuri ennen Glasgow’n ilmastokokousta julkaiseman rapor- tin mukaan nykyisillä sitoumuksilla ilmasto läm- penisi 2,7 astetta suhteessa esiteolliseen aikaan vuosisadan loppuun mennessä (UNEP, 2021).Raportin mukaan Pariisissa tavoitellun 1,5 as- teen alla pysyminen on vielä mahdollista, mutta se vaatisi kasvihuonekaasupäästöjen vähentä- mistä noin 55 % seuraavan kahdeksan vuoden aikana. Tämä tarkoittaisi suuria muutoksia eri- tyisesti energiasektorilla, joka vastaa noin kol- mesta neljänneksestä kaikista kasvihuonekaasu- päästöistä ja sähköntuotanto yksin noin kolmanneksesta (IEA, 2021). Käytännössä au- rinko- ja tuulienergiaa tuleekin lisätä sähkön- tuotannossa entistä nopeammin. Kasvihuone- kaasupäästöjä voidaan vähentää merkittävästi myös lisäämällä hiilettömästi tuotetun sähkön käyttöä muilla sektoreilla.
Suomen Ilmastopaneeli arvioi kesäkuus- sa julkaistussa muistiossaan, että erityisesti
suhteellisen tarkalla empiirisellä datalla raken- nettuihin malleihin, joilla sitten simuloidaan erilaisia kontrafaktuaaleja.
Väitöskirjan ensimmäisessä osatutkimuk- sessa tutkitaan, voitaisiinko erilaisia taloudelli- sia kannustimia yhdistämällä lisätä kotitalouk- sien investointeja aurinko paneeli jär jes telmiin kustannustehokkaammin kuin vain yhdenlaista kannustinta käyttämällä. Yleisimmät julkisen tahon tarjoamat kannustimet aurinkoenergi- antuottajille ovat tuotettuun tai sähköverkkoon syötettyyn energiamäärään perustuvat tariffit se- kä erilaiset investointituet. Ns. nettomittarointi, jossa kotitalouden tuottama aurinkoenergia vä- hennetään kotitalouden kulutuksesta, voidaan ajatella myös eräänlaisena syöttötariffina.
Hyödykemarkkinoilla yleisessä hintadiskri- minoinnissa (esim. Armstrong 2006) myyjä pyrkii kasvattamaan voittojaan myymällä sa- maa hyödykettä eri asiakkaille eri hinnoilla.
Mahdolliset näin kasvaneet voitot ovat peräisin kuluttajan ylijäämästä, joka vähenee vastaavasti.
Tyypillisiä esimerkkejä hintadiskriminoinnista ovat opiskelija-alennukset, varausajankohdasta riippuva matkalipun hinta, määrä alennukset (eli epälineaarinen tariffi), kaksiosainen tarif- fi, jossa hinta koostuu kiinteästä summasta ja määrään perustuvasta osasta sekä sopimusme- nut, joissa kuluttajalle tarjotaan useita vaihto- ehtoja, joista hän valitsee itselleen sopivimman (esim. kuntosalin tarjoama kuukausikortti ker- talippujen vaihtoehtona).
Aurinkoenergian tuki voidaan ajatella si- ten, että julkinen taho ostaa taloudellisilla tuil- la kotitalouksilta aurinkoenergiaa. Jos käyte- tään tuotantoperusteista syöttötariffia, saattaa käydä niin, että erityisen hyvällä paikalla ole- va kotitalous saa suuren tuottajan ylijäämän – vähempikin tuki riittäisi sille kannustimeksi.
Tämä vähentää tuen kustannustehokkuutta.
Tätä tuottajan ylijäämää voidaan ehkä vähen- tää erilaisilla hintadiskriminointitavoista joh- detuilla kannustimilla. Esi merkiksi investoin- tituki vastaa määräalennusta, sillä siinä tuen määrä per aurinkoenergiayksikkö on sitä pie- nempi, mitä enemmän kotitalous tuottaa au- rinkoenergiaa. Inves tointituen yhdistäminen syöttötariffiin voidaan ajatella kaksiosaisena tariffina, ja jos kotitalous voi valita erilaisista kannustimista, kysymys on sopimusmenusta.
Tässä tutkimuksessa rajoituttiin tilantee- seen, jossa syöttötariffi on niin alhainen, että kotitalouksien kannattaa ensisijaisesti kuluttaa tuottamansa aurinkoenergia itse. Tällöin koti- talouksien ominaisuuksien jakaumat ovat sellai- sia, että esimerkiksi sopivalla sopimusmenulla voidaan erotella kotitaloudet, joille käy vain in- vestointituki, mutta ei syöttötariffi, ja kotitalo- udet, joille käy vain syöttötariffi, mutta ei inves- tointituki. Tällainen erottelu on edellytys sille, että sopimusmenu toimii halutulla tavalla.
Tutkimuksessa muodostettiin ensin diskree- tin valinnan malli, joka kuvaa saksalaisten koti talouksien aurinkopaneelijärjestelmien han kintoja vuosina 2000–2018. Aurinko panee li- järjestelmien tuntikohtainen tuotanto ja nii- den jakauma Saksassa muodostettiin mallissa meteorologisen datan (auringon säteilymäärä ja lämpötila eri paikoissa) ja väestötietodatan perusteella. Myös kotitalouksien sähkön ku- lutus mallinnettiin tuntitasolla mm. sähköyh- tiöiden julkaisemia kulutusprofiileja käyttäen.
Kotitalouksien sallittiin suhtautuvan eri tavalla samaan euromääräiseen hyötyyn riippuen sii- tä, tuleeko hyöty tulevan tariffipohjaisen tulon, sähkölaskusäästöjen, tai nyt maksetun hinnan kautta. Näiden preferenssit estimoitiin datasta.
Lisäksi mallissa sallittiin kotitalouksien inves- toivan aurinkopaneelijärjestelmään liitettävään akkuun, jos se on niille edullista. Akku vaatii
investointikustannuksen, mutta se lisää aurin- koenergian omaa käyttöä ja siten säästöä sähkö- laskussa.
Mallin avulla simuloitiin erilaisten tukimuo- tojen yhdistelmien vaikutusta tuotettuun aurin- koenergian määrään, tuen kustannuksiin, sekä oman käytön osuuteen. Tutkimuksessa tarkas- teltiin neljää erilaista kannustinta: syöttötarif- fia, tuotantotariffia ja investointitukea erikseen aurinkopaneeleille ja akuille. Tutkimuksen päätulos oli, että syöttötariffin yhdistäminen akkujen investointitukeen on erityisen kustan- nustehokasta. Sopimusmenuilla voidaan pääs- tä kustannustehokkaampiin ratkaisuihin kuin yhdistelmillä, paitsi jos akkutuki on yksi yhdis- telmän komponenteista. Tuloksia voi olla vai- kea yleistää muihin maihin, koska ne riippu- vat kotitalouksien ominaisuuksien jakaumista.
Tulokset kuitenkin osoittavat, että jos tuettavat kohteet ovat ominaisuuksiltaan hyvin erilaisia, myös taloudellisten kannustimien monipuolis- taminen saattaa olla kannattavaa.
Väitöskirjan toisessa osatutkimuksessa tar- kastellaan aurinko- ja tuulienergian lisäämistä sähkömarkkinoilla ydinvoimaloiden näkökul- masta. Usein esitetään, että aurinko- ja tuuli- voima sopivat huonosti yhteen juuri ydinvoiman kanssa, koska sään mukana joskus nopeasti ja paljon vaihteleva aurinko- ja tuulivoimatuotan- to vaatii muilta sähköntuottajilta joustamista eli nopeita tuotantotehon säätöjä, ja ydinvoima- loilla on muita voimalaitostyyppejä enemmän teknisiä rajoitteita tuotantotehon muutosten suhteen. Mitä enemmän markkinoilla on aurin- ko- ja tuulivoimaa, sitä useammat voimalaitok- set joutuvat säätämään omaa tuotantotehoaan, ja sitä suurempia tehonmuutoksia tarvitaan.
Kulut tajien kannalta ydinvoiman etuna on tuo- tannon alhaiset rajakustannukset, minkä vuok- si suuri ydinvoiman määrä markkinoilla pitää
sähkön tukkumarkkinahinnan alhaisena. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan, milloin ydinvoi- man huonosta tehonsäätökyvystä johtuvat haitat ylittävät ydinvoiman rajatuotantokustannuksis- ta tulevat hyödyt, eli kuinka paljon ydinvoima- valtaisella sähkömarkkinalla kannattaa olla au- rinko- ja tuulivoimaa.
Kysymykseen on vaikea vastata yleisesti, kos- ka se riippuu myös tarkasteltavan sähkömarkki- nan muista ominaisuuksista kuten sääriippuvan tuotannon vaihtelun suuruudesta, kuluttajien kulutusprofiileista, muista voimalaitostyypeis- tä, siirtoyhteyksistä, jne. Tutki muksessa on tar- kasteltu pelkästään Saksan sähkömarkkinaa sen vuoksi, että viime vuosia lukuun ottamat- ta ydinvoiman osuus tuotannosta on ollut siel- lä vielä suhteellisen suuri ja myös aurinko- ja tuulivoimaa on muuhun Eurooppaan nähden Saksassa poikkeuksellisen paljon.
Tutkimuksessa rakennettiin malli, jossa oli mukana Saksan kaikki yli 100 MW voimalai- tokset vuonna 2017 (145 kpl). Simuloinnissa etsittiin erilaisissa aurinko- ja tuulituotantos- kenaariossa koko markkinan tuotantokustan- nukset minimoiva ratkaisu eli tunti- ja voi- malaitoskohtaiset tuotantomäärät siten, että perättäisten tuntien välillä tehtävät tehonsää- döt ja voimalaitosten sammuttamiset ja käyn- nistämiset sekä niihin liittyvät rajoitteet ja kus- tannukset otettiin huomioon. Mallinnuksessa oli mukana sekä vuorokausimarkkina että sen jälkeen käytävä säätömarkkina.
Tutkimuksen päätulos oli, että aurinko- ja tuuli voiman määrä olisi voinut lisääntyä Saksassa vielä paljonkin – kaksinkertaistua vuoden 2017 tasosta – ennen kuin silloisten ydinvoimaloiden tehonsäädön rajoitteista aiheutuvat kustannuk- set olisivat tulleet merkittäviksi ja suuremmiksi kuin ydinvoimaloista saatavat hyödyt. Ehkä hie- man yllättäen suurin osa kustannuksista aiheutuisi
simulaatioiden mukaan kasvaneina kustannuksina säätömarkkinoilla, vaikka säädön tarve pysyisikin samana. Ydinvoimaloiden vähimmäistuotantote- ho on suhteellisen suuri ja niiden sammuttaminen kokonaan lyhyeksi aikaa on hidasta ja kallista. Jos aurinko- ja tuulituotanto kattaa suuren osan ky- synnästä, ydinvoimaloita ajetaan yleensä minimi- teholla. Jos tuotantoa on siltikin liikaa kysyntään nähden, tilanne johtaa hyvin mataliin, jopa nega- tiivisiin hintoihin. Voimalaitokset, jotka tarjoavat nopeaa ylös- ja alassäätötehoa säätömarkkinoilla, joutuvat pitämään tuotantonsa käynnissä nega- tiivistenkin hintojen aikana. Tuotanto on tällöin tappiollista, mikä näkyy sitten kohonneissa säätö- markkinatarjouksissa. Tämä tulos on yhdenmu- kainen muiden vastaavien tutkimusten kanssa (esim. Kopiske ym. 2017), vaikkei olekaan kovin tunnettu.
On kuitenkin huomattava, että tutkimuk- sessa on muiden tekijöiden oletettu pysyvän muuttumattomina. Käytännössä negatiiviset hinnat aiheuttavat pitkällä aikavälillä toimijoi- den poistumista markkinoilta, kunnes hinnat pysyvät kohtuullisina. Tutkimuksen merkitys onkin pääosin eri markkinoiden välisen vuo- rovaikutuksen ymmärtämisessä lyhyellä aika- välillä. Tulosten perusteella voidaan myös ar- vioida, että Suomessakaan ydinvoimalat eivät ole esteenä nopealle tuulivoimatuotannon li- sääntymiselle. Ydinvoimaloiden olemassa ole- va tekninen säätökyky tulisi kuitenkin ottaa täysimääräisesti käyttöön.
Väitöskirjan kolmannessa osatutkimukses- sa tarkastellaan sääriippuvien sähköntuotanto- muotojen vaikutuksia pitkällä aikavälillä. Kun aurinko- ja tuulivoiman määrä kasvaa, perintei- set voimalaitokset saavat koko ajan vähemmän ajoaikaa ja tuloja, niiden kannattavuus heikke- nee ja osa joutuu kokonaan poistumaan markki- nalta. Niinä ajanhetkinä, kun aurinko ei paista
ja ei tuule, tarvittaisiin kuitenkin aiemmat voi- malaitokset tuottamaan sähköä. Riittävän tuotantokapasiteetin olemassaolon varmis- tamiseksi kaikkina aikoina on useita tapoja.
Kapasiteettimarkkina on yksi näistä. Siinä voi- malaitoksille määräytyy tarjousten perusteella maksu, jonka vastineeksi laitokset sitoutuvat olemaan tuotantovalmiudessa tietyn ajan, tyy- pillisesti vuoden verran. Kapasiteettimaksu ei siis riipu siitä, tuottavatko laitokset vai eivät.
Käytännössä kapasiteettimarkkina on yleensä huutokauppa, joka pidetään yksi tai useampi vuosi ennen kapasiteetin toimitusvuotta.
Sähköntuotantojärjestelmien historiallisesta kehityksestä johtuen sähkömarkkinat ovat usein hyvin keskittyneitä eli markkinoilla on tyypilli- sesti vain yksi tai muutama suuri toimija ja pal- jon selvästi pienempiä. Tämän oligopolistisen markkinarakenteen, sähkön kysynnän epäelasti- suuden ja sähkön varastoinnin huonon kannat- tavuuden vuoksi sähkömarkkinat ovat alttiita markkinavoiman käytölle. Useissa empiiri sissä tutkimuksissa onkin todettu, että markkinavoi- ma selittää toteutuneita hintoja (esim. Green ja Newbery 1992; Borenstein ym. 2002; Joskow ja Kahn 2002; Mansur 2008). Sähkömarkkinat ovat keskeisen merkityksensä vuoksi tarkasti säänneltyjä ja esimerkiksi Euroopassa kansallis- ten sääntelyviranomaisten tulee pitää huoli siitä, että ”energian tukkumarkkinahinnat ilmentävät tasapainoista ja kilpailukykyistä kysynnän ja tar- jonnan vuorovaikutusta eikä markkinoiden vää- rinkäytöstä voi saada etua”1.
Irlannissa otettiin kapasiteettimarkkina käyttöön vuonna 2018. Irlannin sähkömarkki- nalla yksi suuri toimija omistaa merkittävän osan tuotantokapasiteetista. Lisäksi siirtoyhteyksiä
1 Ns. REMIT-asetus. https://eur-lex.europa.eu/legal-con- tent/FI/TXT/PDF/?uri=CELEX:32011R1227&from=EN
saaren ulkopuolelle on vähän. Näistä syistä on esitetty arveluita, että uusi kapasiteettimarkki- na saattaa vahvistaa markkinoiden suurimman toimijan asemaa ja mahdollistaa sille markki- navoiman käytön entistä useammalla markki- nalla. Tässä osatutkimuksessa tutkittiin ex ante -simulaatiolla, tarjoaako uusi kapasiteettimark- kina mahdollisuuksia sellaiselle strategiselle käyttäytymiselle, joka on haitallista loppukäyt- täjille, ja jos tarjoaa, niin minkälaista tämä stra- teginen käyttäytyminen olisi.
Osatutkimuksessa kehitettiin kaikki Irlannin voimalaitokset sisältävä markkina- malli, jossa kapasiteettimarkkina yhdistyy sähkömarkkinoihin. Kapasiteettimarkkina mallinnettiin monen yksikön huutokauppa- na ja sähkömarkkina sen jälkeen käytävänä Cournot-pelinä. Kapasiteettimarkkinan tulos johtaa mahdollisten uusien voimalaitosten ra- kentamisen ja vanhojen poistuminen kautta tiettyyn markkinarakenteeseen, joka taas vai- kuttaa Cournot-pelin tulokseen sähkömark- kinalla. Tasapainossa malli on dynaamises- ti vakaa, tarjoukset kapasiteettimarkkinalla heijas tavat rationaalisia odotuksia sähkömark- kinalla ja suurin toimija toimii siten, että sen voitot maksimoituvat.
Tutkimuksessa havaittiin, että markkinoi- den suurin toimija pystyisi halutessaan toimi- maan strategisesti siten, että loppukäyttäjän kustannukset molemmilla markkinoilla kas- vaisivat merkittävästi. Keskeiset tavat olisi- vat saalistushinnoittelu ja kapasiteetin tarjo- amatta jättäminen (ns. capacity withholding) kapasiteettimarkkinalla. Tulos osoittaa, että Irlannin sääntelyviranomaisen kannattaa ot- taa tämä sääntelyssä ja valvonnassa huomioon.
Tutkimus on myös esimerkki ex ante -simulaa- tiomallin hyödyntämisestä markkinasääntöjen suunnittelussa. □
Kirjallisuus
Armstrong, M. (2006), “Price discrimination”, Uni- versity Library of Munich, Germany, MPRA Pa- per No. 4693.
Borenstein, S., Bushnell, J. B. ja Wolak, F. A. (2002),
“Measuring market inefficiencies in California’s restructured wholesale electricity market”, Amer- ican Economic Review 92: 1376–1405.
Green, R. J. ja Newbery, D. M. (1992), “Competition in the British electricity spot market”, Journal of Political Economy 100: 929–953.
IEA (2021), “World energy outlook 2021”, Interna- tional Energy Agency, https://www.iea.org/weo (viitattu 2.11.2021).
Joskow, P. L. ja Kahn, E. (2002), “A quantitative anal- ysis of pricing behavior in California’s wholesale electricity market during summer 2000”, Energy Journal 23: 1–35.
Kopiske, J., Spieker, S. ja Tsatsaronis, G. (2017),
“Value of power plant flexibility in power sys- tems with high shares of variable renewables: A scenario outlook for Germany 2035”, Energy 137:
823-833.
Lund, P., Kivimaa, P., Arasto, A., Lipsanen, A., He- liste, P. ja Tsupari, E. (2021), Sähköllä merkittävä rooli Suomen kasvihuonekaasupäästöjen leik- kaamisessa, Suomen ilmastopaneelin julkaisuja 3/2021.
Mansur, E. T. (2008), “Measuring welfare in restruc- tured electricity markets”, Review of Economics and Statistics 90: 369–386.
UNEP (2021), “Emissions gap report 2021: The heat is on – A world of climate promises not yet deliv- ered”, United Nations Environment Programme, https://www.unep.org/resources/emissions-gap- report-2021 (viitattu 2.11.2021).
